非傍轴矢量余弦-高斯光束两种光强表示的比较研究

从矢量瑞利-索末菲衍射积分公式出发,以非傍轴矢量余弦-高斯(CoG)光束为例,对非傍轴矢量光束的两种光强表示式,即传统光强公式和时间平均坡印廷矢量的z分量进行了比较研究.对非傍轴矢量CoG光束轴上和横向光强分布详细的数值计算和比较结果表明,两种光强表示式之间的相对误差η与w0/λ、z/λ和偏心参量b有关,其中w0,λ和z分别为束腰宽度,波长和传输距离.当偏心参量b较小,且束腰宽度与波长相比不很小时,例如,b≤0.8,w0/λ≥0.8,z/λ=10时,二者间的最大相对误差ηmax<2%,传统光强公式可以使用.

矢量非傍轴双曲余弦-高斯光束

引入了矢量非傍轴双曲余弦-高斯(ChG)光束概念。使用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式推导出了矢量非傍轴ChG光束在自由空间传输的解析公式。矢量非傍轴ChG光束轴上和远场的解析式以及傍轴结果作为一般传输公式的特例给出。研究表明,对矢量非傍轴ChG光束,其非傍轴性主要由f参数决定,但偏心参数会影响其横向光强剖面形状和非傍轴行为。

非傍轴双曲余弦-高斯脉冲电磁光束远场特性

利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出了非傍轴部分空间相干部分光谱相干双曲余弦-高斯(ChG)脉冲电磁光束在自由空间传输时交叉谱密度矩阵的远场解析公式,并用来表示脉冲电磁光束的光谱密度(光强)和偏振度。结果表明,对非傍轴远场部分空间相干部分光谱相干ChG脉冲电磁光束,其非傍轴性主要由参数f,fαα决定,而离心参数、脉冲宽度和时间相干长度影响其非傍轴行为。非傍轴部分空间相干部分光谱相干高斯-谢尔模型脉冲电磁光束的远场传输可作为特例处理。

截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的远场特性

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出截断非傍轴双曲余弦-高斯光束在自由空间传输的解析表示式,分析了一些特例,并引入非傍轴范畴的桶中功率概念,用以描述非傍轴光束的远场光束质量。结果表明:截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的光强和桶中功率不仅与束腰宽度与波长之比、偏心参数及截断参数有关,而且桶中功率还与桶的尺寸有关。在一定的范围内,较大的束腰宽度与波长之比,截断参数和较小的偏心参数使光束有更好的聚焦特性,表现出更好的光束质量。

非傍轴矢量高斯光束

对傍轴近似下的光束传输变换问题进行了广泛的研究。但是,当光束有大的发散角或与波长相比拟的小光斑尺寸时,傍轴近似不再成立。已发展了多种非傍轴方法用以研究非傍轴光束的传输问题。对非傍轴光束的研究方法作了总结,使用角谱表示法和瑞利衍射积分公式对非傍轴矢量高斯光束的传输作了分析和比较。结果表明,基于瑞利衍射积分公式推导出的非傍轴矢量高斯光束在自由空间传输的解析公式在传输距离远大于波长时是严格的解析结果,并且在有光阑的情况下也是适用的。光束的非傍轴性主要由f参数决定,但当有光阑存在时,截断参数也对光束非傍轴行为产生影响。

矢量非傍轴厄米余弦高斯光束

引入了矢量非傍轴厄米余弦高斯(HCosG)光束的概念,从矢量瑞利-索末菲衍射积分公式出发,得出了矢量非傍轴HCosG光束在自由空间的解析传输公式,并将非傍轴HCosG光束在自由空间衍射时轴上、近场、远场以及在傍轴条件下的传输作为特例给出。数值计算和分析表明,对于矢量非傍轴HCosG光束,参数和偏心参数均对光束的非傍轴特性有重要影响。此外,其轴上光强分布与光束的阶数及其奇偶性有关。

非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性

为了研究非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性,运用Wigner分布函数法,从空间域和频率域对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性进行了理论分析,得出了该光束1阶情况下在空间、频率域系统的解析传输公式及光强分布表达式,分析了这些表达式中3个主要参量f,fσ和g对厄米-余弦-高斯光束在自由空间传输的影响。结果表明,在调制参量g不变时,束腰参量f和相干参量fσ对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束的非傍轴性起了至关重要的作用;非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束在传输过程中随着g的改变,不能保持其光强分布形状,有前移趋势。

非傍轴截断余弦-高斯光束的轴上光强

基于瑞利衍射积分公式,以非傍轴截断余弦-高斯(CoG)光束为例,对非傍轴截断光束的两种光强表示式,即传统的光强定义和光强的精确表述进行了比较研究。数值计算结果表明,两种定义之间的差异与截断参数,偏心参数,w0/λ和z/λ有关,其中w0,λ和z分别别为束腰宽度,波长和传输距离。

非傍轴余弦平方-高斯光束的传输特性

基于功率密度的二阶矩方法,数值模拟研究了非傍轴余弦平方-高斯光束的束宽、远场发散角和M^2因子。计算结果表明:1)束腰宽度W_0(0)随ω_0/λ的增大而增大。当ω_0/λ较大(ω_0/λ≥0.5)时,束腰宽度随着偏心参数的增大而减小。2)当ω_0/λ→0时,远场发散角趋于渐近值θ_(0max)=63.435°,与偏心参数α无关。3)在非傍轴范畴,余弦平方-高斯光束的M^2因子不仅与偏心参数α有关,而且还与初始束腰宽度和波长之比ω_0/λ有关。当ω_0/λ足够小时,M^2因子可小于1。对给定的偏心参数α,M^2因子随ω_0/λ的变化并非总是单调的。M^2因子随ω_0/λ的增大而增大,当达到最大值后又逐渐减小,最后渐近趋于一稳定值。

非傍轴双曲余弦平方-高斯光束的传输特性

利用功率密度的二阶矩方法,通过数值计算,对非傍轴双曲余弦平方-高斯光束的远场发散角和M2因子进行了研究.结果表明,当参数1/f趋于零时,非傍轴双曲余弦平方-高斯光束的远场发散角渐近趋于渐近值63.435°,且与偏心参数α无关.非傍轴双曲余弦平方-高斯光束的M2因子与偏心参数α及参数1/f有关.当参数1/f足够小时,M2因子的值可以小于1.当偏心参数取较大值时,M2因子的值随着参数1/f的变化是非单调变化的.

非傍轴余弦-高斯光束的传输

从功率密度的二阶矩方法出发,对非傍轴余弦一高斯(CoG)光束的传输特性进行了系统的研究。结果表明,基于二阶矩定义的束宽在传输过程中满足简单的双曲线变化规律。非傍轴CoG光束的M^2因子不仅与偏心参数α有关,而且还与f参数有关。在1/f足够小时,M^2因子可小于1。当1/f→0时,远场发散角趋于渐近值63.435°。对于α=0(Ω_0=0)的特例,非傍轴CoG光束的M^2因子退化为非傍轴高斯光束的M^2因子。

非傍轴贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输

从瑞利索末菲衍射积分出发,推导出任意阶非傍轴贝塞尔高斯光束在自由空间传输的解析表达式.非傍轴贝塞尔光束和非傍轴高斯光束等的传输方程都可以作为本文一般结果的特例而得出.物理分析和数值计算表明,当高斯和贝塞尔部分的横向尺度与波长相比拟或小于波长时,应当用非傍轴方法处理.

非傍轴截断双曲余弦高斯光束的M^2因子

基于功率密度的二阶矩方法,对非傍轴截断双曲余弦高斯(ChG)光束的束宽、远场发散角和M2 因子进行了研究。数值计算结果表明,非傍轴截断ChG光束的M2因子不仅与截断参数δ、偏心参数α有 关,而且与初始束腰宽度和波长之比ω0／λ有关。在δ足够小时,M2因子可小于1。当δ→0时,远场发 散角趋于渐近值63．435°。对于α=0(Ω0=0)和δ→∞的特例,我们的结果分别退化为非傍轴截断高斯 光束和非傍轴无截断ChG光束的M2因子。

非傍轴厄米-高斯光束及其高阶修正

使用级数修正公式研究了非傍轴厄米 高斯光束的传输。用数值计算例子说明了修正公式的适用范围。结果表明 ,在束宽可与波长相比时 ,修正公式是发散的 。

非傍轴旋转对称拉盖尔-高斯光束的远场发散角

基于功率密度的二阶矩方法,推导出了非傍轴旋转对称拉盖尔-高斯(LG)光束远场发散角的解析公式,并表示为伽玛函数的幂级数求和形式。计算结果表明,当初始束腰宽度和波长之比w0/λ趋于0时,对任意非傍轴旋转对称LG光束,远场发散角趋于渐近值63.435°,与阶数无关。对于p=0的特例,则退化为非傍轴高斯光束的结果。

非傍轴截断余弦高斯光束的光束传输因子

基于功率密度的二阶矩方法,对非傍轴截断余弦高斯光束的远场发散角和光束传输因子进行了系统研究.计算结果表明,非傍轴截断余弦高斯光束的光束传输因子不仅与截断参数δ、偏心参数α有关,而且还与初始束腰宽度和波长之比w0/λ有关.当截断参数δ→0时,远场发散角θ0趋于渐近值θ0max=63.4350.

矢量非傍轴双曲正弦—高斯光束

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分,推导出矢量非傍轴双曲正弦-高斯光束在自由空间传输的解析公式,其远场的解析式作为一般传输公式的特例给出。利用所得结果通过数值计算方法分析了矢量非傍轴双曲正弦-高斯光束的传输特性。研究表明,双曲正弦-高斯光束的横向光强分布与偏心参数和传输距离有关。

非傍轴矢量离轴光束通过矩形光阑的传输特性

利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,求出了波动方程的一个解析解.作为特例,推导出了非傍轴矢量离轴高斯光束远场和轴上公式,非傍轴矢量高斯光束的传输方程和傍轴的结果.通过数值计算表明f,-参数、截断参数δ和离心参数要影响非傍轴性.

非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的传输

利用广义瑞利衍射积分公式和部分相干光理论,推导了任意阶非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束在自由空间传输的解析表达式。作为特例,给出了非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的远场公式和傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的传输方程。数值计算和分析表明,f参数对光束的非傍轴特性有重要影响,此外,相干度也影响部分相干修正贝塞尔-高斯光束的非傍轴行为。

双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数α、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量β、离心参量δ)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随α的增大而先减小后增大,且在α=3.11处存在zt极小值;zt随l0和δ的增大而增大,随L0(仅当3.6<α<4时)和β的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。